CC BY
5ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№3-4 (64-65) / 2018.
УДК 622.83
©2018. Ф.М. Голубев
ОСОБЕННОСТИ ПРОГНОЗА ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПОДЗЕМНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ И ЗАТОПЛЕНИИ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК
В статье рассмотрены основные проблемы прогноза напряжений в трубопроводе, вызванных подработкой земной поверхности. Описан метод прогноза концентрации напряжений в конкретных расчетных точках. Проанализированы риски активизации геомеханических процессов при ликвидации угольных шахт для ряда трубопроводных коммуникаций. Ключевые слова: сдвижения земной поверхности, затопление горных выработок, подработка, газопровод.
Введение. В условиях многократной подработки земной поверхности горными выработками, деформации трубопроводов по их длине могут сильно варьироваться. Существующая методика расчета газопроводов на прочность с учетом влияния на них горных выработок [2,3] позволяет определять максимальные напряжения для всего участка полумульды, при этом лишь вскользь упоминая о возможности выявить, в какой точке полумульды значения напряжений в газопроводе начинают превышать предельно допустимое, и в какой точке заканчивают. Это часто делает необходимым вскрытие всего газопровода, в пределах мульды сдвижения, что требует значительных финансовых и человеческих ресурсов. Актуален также вопрос прогноза напряжений в газопроводах на полях ликвидируемых шахт.
1. Постановка задачи и анализ полученных результатов. В случаях, когда газопровод полностью пересекает мульду сдвижения (рис. 1), характер распространения напряжений в газопроводе аналогичен характеру распространения горизонтальных (относительных) деформаций земной поверхности в пределах участка мульды, в котором проходит труба (рис. 2).
Рис. 1. Пример пересечения мульды газопроводом высокого давления.
Расчетные точки
Рис. 2. Продольные горизонтальные деформации в пределах мульды сдвижения расчитанные
по отраслевому стандарту [1].
График напряжений, в отличие от деформаций не сводится к нулю на краях мульды, так как напряжения, вызванные деформацией грунта в пределах зоны влияния очистной выработки распространяются на определенном участке трубопровода и за ней. Длину участка трубопровода, находящегося вне зоны влияния очистной выработки, однако подверженного воздействию напряжений, вызванных сдвижениями и деформациями земной поверхности, можно определить основываясь на данных [2] при помощи зависимости отраженной на рис. 3.
О J-1-1-1-1-1-1-1
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Кс
Рис. 3. Зависимость длины участка трубопровода, находящегося за пределами зоны влияния очистной выработки, но испытывающего влияние повышенных напряжений, вызванных подработкой, от коэффициента упругого сдвига грунта.
Описать такой график можно следующей логарифмической зависимостью
{= -37.31 х 1п(Кс )+13.339, где Кс - коэффициент упругого сдвига грунта определяемый по формуле (1)
Qo - предельная величина силового воздействия грунта на трубу при взаимных перемещениях вдоль газопровода, определяемая по формуле (2); Е - модуль упругости стали; 5 - толщина стенки труб; АО - величина критического сдвига грунта вдоль газопровода, принимаемая для суглинков равной 2 см;
д 0 = Кэ (Km7з"Язtg^зк + С3); (2)
Кэ - коэффициент, зависящий от срока эксплуатации газопровода определяется по зависимостям приведенным на рис. 4; Кт - коэффициент концентрации нагрузок, принимаемый по табл. 20 [2]; ^33 - удельный вес грунта, принимаемый равным 0,0185 МН/м3; у33 - угол внутреннего трения грунта, принимаемый равным 22°; С3 - удельное сцепление грунта, принимаемое равным 0,020 МПа; I -длины участков однозначных деформаций растяжения грунта в полумульдах.
Рис. 4. Зависимость коэффициента Кэ от времени, прошедшего с момента последнего вскрытия
трубопровода.
Исходя из приведенных на рисунке графиков определить коэффициент зависящий от срока эксплуатации газопровода в глинистых грунтах можно следующим образом:
Кэ = 0.29Ы(Ь) + 0.25. (3)
Для песчаных грунтов определение коэффициента зависящего от срока эксплуатации газопровода происходит при помощи следующей зависимости:
Кэ = -0.0057Ь2 + 0.1447^ + 0.0886 (4)
где Ь - время, прошедшее с момента последнего вскрытия трубопровода.
Для определения напряжений в каждой точке трубопровода, согласно классическим методам [3], необходимо рассчитать максимальное смещение трубопровода в растянутых участках, которое может быть выполнено по формуле:
Ао = 0.5
фг ф( - 3.75
ЯоН 0Ф1 Е6
где фг - значение определяемое по формуле:
фг = 0.2Ао + Со +
Е5 '
(5)
(6)
Ао - величина критического сдвига грунта вдоль трубопровода, 2 см для суглинков; Со - максимальные горизонтальные сдвижения в растянутых участках трубопровода, определяемые по графику смещения земной поверхности; Фг -безразмерный коэффициент, определяемый по формуле (7).
При отработке лав по падению для определения максимальных горизонтальных сдвижений необходимо использовать результаты их динамического расчета и деформаций земной поверхности, так как в таких случаях промежуточные значения деформаций могут существенно превышать значения, установившиеся в по окончании процесса сдвижения.
$1 = 0.9 - 0.6ЪБт ( у - 0.5 ) тг.
(7)
Используя приведенные выше зависимости, можно рассчитать напряжения в любой точке трубопровода:
г-^ЕАо пх
сг£ = 1.57—— х Ьгп—,
1т 1т
(8
где Е - модуль упругости стали; Ао - максимальное смещение трубопровода в растянутых участках; 1т - длина участка газопровода с учетом его деформаций за пределами смещения земной поверхности; х - точка, в которой производится расчет.
Выявление точек, в которых напряжение будет превышать допустимое, в таком случае позволяет рационализировать затраты на проведение вскрытия трубопровода (пример определения превышения в точках показан на рис. 5).
Рис. 5. График распространения напряжений в трубопроводе.
Такой график позволяет определить участки поверхности, где необходимо выполнить вскрытие (рис. 6).
Рис. 6. Схема вскрытия газопровода.
Стоит отметить, что расчетное сопротивление трубы по пределу текучести стали с учетом коэффициента условий работы варьируется в зависимости от марки стали от 180 до 220 МПа. Практика показывает, что достижение предельно допустимых значений для трубопроводов возможно при размерах максимальных горизонтальных сдвижений от 220 мм. Развитие таких горизонтальных сдвижений происходит не только при подработке земной поверхности очистными выработками, но и при затоплении горнодобывающих предприятий. Так, расчет деформаций земной поверхности от активизации геомеханических процессов при затоплении угледобывающих предприятий для 9 шахт Центрального района Донбасса согласно методике [4] показал, что горизонтальные сдвижения на горных отводах ликвидируемых шахт в результате активизации геомеханических процессов могут достигать 400 миллиметров (рис. 7).
Рис. 7. Прогнозируемые горизонтальные сдвижения на поле шахты Красный Профинтерн. Горизонтальные (относительные) деформации согласно расчетным данным
при затоплении горнодобывающих предприятий на некоторых участках могут превышать 2 мм/м (рис. 8).
Ига
Щгл 2
™ 2
- 1.В
- 1.Б
- 1.4
- 1.2
— п.а
-О.й
-0.4
-0.2
--0.2
-0.4
--0.6
--0 .Б
-—.-1.2 --1,4
— -1,6 — -1.6
Рис. 8. Прогнозируемые горизонтальные деформации на поле шахты Карла Маркса.
В условиях Донбасса, где большинство трубопроводов укладывается в суглинки, такой показатель, согласно отраслевому стандарту [1], превышает нормативные допустимые значения для целого ряда трубопроводных коммуникаций:
-подземных газопроводов из стали с пределом текучести до 245 МПа; -подземных, секционных водопроводов из чугунных раструбных труб диаметром менее 500 миллиметров; -канализационных сетей.
Выводы. На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Оптимизация расчета напряжений в газопроводе, вызванных подработкой земной поверхности, с привязкой к местности позволяет рационализировать порядок вскрытия трубопровода.
2. Несмотря на безопасность подъема уровня воды в ликвидированных выработках для сохранности большинства зданий, деформации, вызванные затоплением шахт, могут представлять опасность для подземных газопроводов, а также других видов трубопроводов.
3. Выявление точек, в которых напряжение будет превышать допустимое, в масштабах шахтного поля при ликвидации угледобывающих предприятий требует проведения дополнительных исследований, которые позволят рационализировать затраты на проведение вскрытия трубопроводов.
1. ГСТУ 101.00159226.001 - 2003 Правила шдробки буд1вель, споруд 1 природних об'екпв при видобуванш вугшля шдземним способом. Введ. 01.01.2004.- К., 2004. - 128 с.
2. Руководство по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Часть III. Башенные, транспортные и заглубленные сооружения, трубопроводы / Донецкий Промстрониипроект, НИИСК Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - 225 с.
3. РДИ 204 УССР 025-91. Инструкция по проектированию защиты, строительству и эксплуатации газопроводов на территории угольных бассейнов Украинской ССР / Донецкий
Промстройниипроект. - Донецк, 1991.- 58 с. 4. Ликвидация угольных шахт. Защита земной поверхности от затопления горных выработок. Рекомендации: КД 12.12.004- 98: Утв. Министерством угольной промышленности Украины 20.12.98. - Донецк, 1998. - 46 с.
Ph.M. Golubev
Predicting considerations of mine subsidence impact on the buried pipelines when mining and flooding with water production workings.
The article presents the points of concern in predicting stresses in the pipeline due to mine subsidence. A method to predict accumulation of stresses in specific check points is described. Risks of intensification of geomechanical processes when coal mines are being abandoned are assessed for a number of pipeline communications.
Keywords: mine subsidence, flooding workings with water, impacts of underground mining on overlying structure, gas pipeline.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 11.09.18
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
ranimi@ranimi.org
